HAL Id: jpa-00208274
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Influence de la projection des fonctions BCS sur les transitions M1 et E2 dans les terres rares
M. Fellah, T.F. Hammann
To cite this version:
M. Fellah, T.F. Hammann. Influence de la projection des fonctions BCS sur les transi- tions M1 et E2 dans les terres rares. Journal de Physique, 1975, 36 (6), pp.461-470.
�10.1051/jphys:01975003606046100�. �jpa-00208274�
461
INFLUENCE DE LA PROJECTION DES FONCTIONS BCS
SUR LES TRANSITIONS M1 ET E2 DANS LES TERRES RARES
M. FELLAH et T. F. HAMMANN Institut d’Etudes
Nucléaires, Alger, Algérie
(Reçu
le 16 décembre1974, accepté
le 20février 1975)
Résumé. 2014 Les probabilités de transitions E2 et M1 dans
plusieurs
noyaux de la région des terresrares, ont été calculées avec les fonctions BCS habituelles et avec les fonctions BCS
projetées
sur lesétats propres de
l’opérateur
nombre de particules. Il a été tenu compte systématiquement et exacte-ment de l’effet de
bloquage.
Le couplage de Coriolis a été traité par une méthodeperturbative.
Leseffets des vibrations 03B2 et 03B3 ont été approximativement pris en considération. Il s’avère que les erreurs dues à la non-conservation stricte du nombre de nucléons, si elles ne sont pas toujours
négligeables,
sont
cependant
moinsimportantes
en moyenne que les effets de Coriolis.Abstract. 2014 E2 and M1 transition
probabilities
for odd-mass rare earth nuclei, have been cal- culatedusing
both the usual BCS wave functions and the strict particleconserving,
projected BCSfunctions. The
blocking
effect has been exactly and systematically taken into account. The influence of the Coriolis interaction has been studiedusing
the first orderperturbation theory.
Allowance has been made forthe 03B2 and 03B3
vibrations. Theunphysical
effects, due toparticle
fluctuation in the BCStheory, are not always
negligible,
but are in most cases, less important than the Coriolis effect.LE JOURNAL ’DE PHYSIQUE TOME 36, JUIN 1975,
Classification
Physics Abstracts
4.470 - 4.220 - 3.350
Introduction. - Les méthodes de Hartree-Fock et les formalismes
particule-trou
tels quel’approxima-
tion de Tamm-Dancoff ou la RPA ont
permis
d’ex-pliquer
ungrand
nombre depropriétés
des noyauxlégers
ou des noyaux lourdsn’ayant qu’un petit
nombrede nucléons hors des couches
pleines.
Pour les autresnoyaux
cependant
ces méthodes ne sontplus appli-
cables. Devant
l’impossibilité
matérielled’expliquer
leurs structures et
propriétés
àpartir
des interactions nucléon-nucléonréalistes,
deux formalismes essen-tiellement ont été
utilisés,
tenant compteschématique-
ment du caractère
d’appariement
des forcesnucléaires : le formalisme de
Hartree-Fock-Bogo- lyubov (HFB)
et le formalisme BCS. Dans les deux cas, la non-conservation stricte du nombre de nucléons entraîne un certain nombre d’effets nonphysiques
telsque l’existence d’une valeur
critique
de la force depairing
en dessous delaquelle
n’existe que la solution triviale deséquations
BCS[1] ;
et l’inversion du spectred’énergie
dans des calculs de type HFB avecprojection
sur les états propres du moment
cinétique [2].
Si la fluctuation du nombre de
particules
entraînedes
conséquences
fâcheuses pour lesénergies [2, 3],
ceci est vrai a
fortiori
pour desphénomènes qui
telsles transitions
électromagnétiques
oubêta, dépendent
d’une
façon
très sensible des fonctions d’onde. Ce pro- blème a été très peu étudiéjusqu’à présent.
Miranda et Preston
[4]
ont étudié une demi-douzainede transitions M4 dans les
isotopes
duplomb
et unevingtaine
dedésintégrations bêta
dans les terres rares, avec les fonctionsgénératrices
deBayman [5].
Utili-sant les mêmes fonctions
projetées, Monsonégo
etPiepenbring [6]
ont étudié une douzaine de transi- tions El entre un état excité et l’état fondamental d’une dizaine de terres rares.La méthode de
projection
utilisée ne semble pas être laplus puissante
et l’interaction deCoriolis, négligée
dans les deux
articles,
peut modifier l’ensemble des résultats.A notre
connaissance,
le seul calcul de transi- tions E2impliquant
uneprojection
sur les étatspropres de
l’opérateur
nombre departicules,
est celuide la référence
[7].
D’une part le nombre relativement faible
(une
demi-douzaine)
de transitions étudiées ne permet pas de conclure quant à l’influence des effets nonphysiques
de la
dispersion
du nombre departicules,
d’autrepart
ce calcul ne concerne que des noyaux
légers
de type 4 n(2°Ne
et28Si)
où l’effet depairing
est de toutefaçon négligeable.
Enfin lesapproximations
utiliséespour réaliser la
projection,
ne semblentplus
valablespour les noyaux de la
région
des terres raresqui
nousintéressent.
Nous nous proposons, dans le
présent travail,
d’étudier les effets non
physiques
dus à la fluctuation du nombre de nucléons dans la théorieBCS,
sur les tran-Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01975003606046100
sitions E2 et M1 des noyaux de la
région
des terresrares, en tenant compte de l’interaction de
Coriolis,
de l’effet debloquage
et des effets vibrationnels du noyau.Dans la section suivante nous donnons les fonctions d’onde
projetées
pour des noyaux de masseimpaire
et calculons les facteurs de réduction
correspondants.
La
description
duchamp nucléaire,
le calcul desprobabilités
de transitions avec les fonctions d’ondeprojetées
et la discussion des résultats obtenus se trouvent en section 2.1.
Fonctions d’onde projetées. -
Dans la théorie BCS usuelle les noyaux de masseimpaire
sont décritspar des kets du
type
où les
amplitudes
deprobabilité d’occupation
oud’inoccupation Vv
et u, del’état 1 v >
par unepaire
departicules,
sont déterminées de manière à conserver enmoyenne le nombre de nucléons du noyau. Evidem- ment, le fait que le ket
(1)
ne soit pas ket propre del’opérateur
nombre departicules,
se
répercutera
sous forme d’effets fantômes dans lesprobabilités
detransitions y
oup.
Selon les conventions
habituelles,
nousdésignons
par aÿ
et av lesopérateurs
de création et d’annihilation d’uneparticule
dansl’état v ).
Lesétats v ) et 1 v )
sont
conjugués
par rapport au renversement du sensdu temps. Le vrai vide de
particules
est défini par. Il a été démontré
[3, 8]
que la suited’états,
corres-pondant
à Ppaires
departicules :
où
converge vers l’état BCS
projeté [9], 1 PBCS >
ou versl’état 1 FBCS > [10, 11]
selon que lesparamètres
varia-tionnels u,
et v,
sont déterminés avant ouaprès projec-
tion.
Le calcul des
intégrales
de type Fowler-Darwinqui
interviennent dans le calcul des éléments de matrice
avec fonctions d’onde
projetées,
n’est pas unproblème
trivial
[1, 9-11]. Moyennant
de laborieux calculs unesolution exacte
peut
être obtenue[10, 11],
leplus
sou-vent
cependant,
on se contente d’une solution appro- chée[5, 12].
Face à ces difficultés les avantages de la sommation discrète del’éq. (2)
sont évidentes. Dans lapratique
la convergence est atteinte pour n voisin de 2 ou 3[3, 8, 13]. La rapidité
de cette convergences’explique
par le fait que le ket(2)
ne contient que des composantescorrespondant
à P +2 1(n
+1) paires (1
est un entierquelconque) [3, 8, 13].
Pour des raisons d’économie de temps machine nous effectuons dans tout cequi
suit laprojection après
la variation(appro-
ximation
PBCS)
mais pourdistinguer
notre méthodede
projection
par sommation discrète des méthodes habituelles parintégration,
nous larepérons
par l’abréviation SBCS.Lorsque
lesystème
a 2 P + 1particules
toutesappariées
sauf celle del’état 1 Jlo), il
a pourénergie
Ello = E:Ocs - G L
A VIIU2(,Ào) V2(po) (3)
v * Il( * 110)
où
E:OcS
estl’énergie
BCS évaluée avec les kets del’éq. (1),
et les fonctions A VilS’ écrivent:avec
Dans ces
équations,
Qreprésente
ladégénérescence
totale depaires.
463
Les
intégrales
de recouvrement des fonctionsSBCS, qui
interviennent dans les calculs des éléments de matrice desopérateurs
à un corps, s’écrivent tout calcul fait :T est
pair
ouimpair
selon quel’opérateur
à un corps estpair
ouimpair
par renversement du sens du temps, c’est-à-dire detype électrique (tiBCS(n»)
oumagné- tique (rsBcs(n)).
Les facteurs de réduction
correspondants
sont notés2. Probabilités de transitions E2 et Ml. - 2.1 LE CHAMP NUCLÉAIRE. - Dans le modèle unifié de
Bohr-Mottelson,
l’hamiltoniendécrivant un noyau déformé à
symétrie
axialecomprend
un terme collectifHcoll
décrivant les mou-vements collectifs de rotation et de vibration du coeur, un terme
intrinsèque H;nt
décrivant lechamp
nucléaire déformé moyen, et un terme H’ décrivant les interactions entre les trois modes de mouvements :
intrinsèque,rotationnel
et vibrationnel[14-16].
Nous admettrons que le
champ
moyen est décrit par l’Hamiltonien de Nilsson[13-16].
Les distances radiales sont
exprimées
en[n/mwgX]1/2
et n
indique
la nature de laparticule,
neutron(n)
ou proton(p).
Lesénergies
des orbitales d’une même couche N ont été renormalisées par laquantité x’ p’ hml’ ( 12 )N
=2 L X" jun hcoo’ 0 N(N
+3)
pour tenir compte de la conservation de la distance des centres degravité
des couches successives. Les para- mètresx’
etJ1x dépendent
linéairement de la masseatomique
des noyaux, et lesénergies Fi wgx
et la cons-tante
d’appariement
Gdépendent
del’iso-spin
selonles
prescriptions
des références[13]
et[17].
En
désignant par 1 vK >
les kets propres deH;nt
etpar
Eÿ K
lesénergies
proprescorrespondantes,
les ketspropres normalisés de
Hint
+H,,.,,
peuvent s’écrire :où Il K -
Q1,
n2non
est le ket état décrivant lesvibrations fi
et y.La
symétrie
axiale entraîneque K
= Q. Nous sup- poserons aussi que le noyau se trouve dans l’état vibra- tionnelfondamental,
soit que n2 = no = 0.Les valeurs propres
correspondant
aux kets del’éq. (8),
notésdorénavant l, KM ; vu
sontoù a est le
paramètre
dedécouplage dépendant
du ketintrinsèque j 1 vK >
etEp
etEY
sont lesénergies
desvibrations
et y.L’interaction H’ n’étant pas
diagonale
dans la base des états(8),
nous écrivons le ket état décrivant le noyau comme une combinaison linéaire de cesétats, soit,
ce
qui
a pourconséquence que K
n’estplus
un bonnombre
quantique.
Nous admettronscependant que K
reste
approximativement
une constante du mouve-ment et traiterons H’ comme un terme
perturbatif;
cette
approximation
est certainement valable tant que le momentcinétique
n’est pas tropgrand.
Lesétats
propres 1 IK>
de l’hamiltonien(6)
sont alorsavec
Il est manifeste que les
coefficients Kv 1 IK >
dépendent
du choix de l’hamiltonienHin,
donc desvaleurs propres
EvK
et ketspropres 1 vK >.
Plusprécisément
endésignant
parles éléments de matrice de H’ calculés avec les kets
(8)
où
les vK )
sont les kets propres deNilsson,
nousavons
[16],
où
Dans cette
équation r(v, K’, K)
estl’intégrale
derecouvrement des fonctions d’onde
intrinsèques
décri-vant les états initial et
final ;
elle vaut 1si 1 vK >
est unétat de
Nilsson, r â si 1 vK >
est un état BCS etrsbcs
sivK >
est la composante de BCScorrespondant
à unnombre déterminé de
particules. (L’exposant
M del’intégrale
de recouvrementindique
queHRpc
estimpair
par rapport au renversement du sens dutemps.)
2.2 PROBABILITÉS DE TRANSITIONS E2. - Si
E,
estl’énergie
detransition,
laprobabilité
de transi-tion
quadrupolaire P(E2)
est :Après
avoirexprimé l’opéxateur
de transitionquadru- polaire
dans lesystème intrinsèque
lié au noyau etséparé
lesparties intrinsèque
etcollective,
laprobabi-
lité de transition réduite
devient,
en fonction des kets deséq. (11) :
:où
Dans
l’éq. (14),
Z est le nombre de protons du coeur,Ro
=1,2
x A 1/3 fm etPo
est lié aux déformations ô et il de Nilsson parDans
l’éq. (15) E(2, p)
estl’opérateur
de transitionquadrupolaire intrinsèque ;
ses éléments de matrice sont donnéspar :
L’élément de
matrice
v’K’ 1 E(2, p) 1 vK > dépend
du choix des fonctions d’ondeintrinsèques
des étatsinitial et final. Si on
désigne par
v’K’ 1 E(2, Jl) vK >N
cet élément de matrice calculé avec les fonctions d’onde deNilsson,
alors les éléments de matrice calculés avec les fonctions d’onde BCS et SBCS sont donnésrespective-
ment par
l’intégrale
de recouvrementcorrespondant
à desopérateurs
à un corps invariant par renversement du sens du temps(transitions
de typeélectrique).
465
2. 3 PROBABILITÉS DE TRANSITIONS M 1. - La pro- babilité de transition
dipolaire magnétique
n’a pas de composante collective. La
probabilité
detransition réduite
intrinsèque B(M 1)
est donnée parune relation semblable à
l’éq. (15) (prise
aucarré).
Les éléments de matrice de
l’opérateur U(1, J1) exprimé
dans le référentiel lié au noyau sont donnés par uneéquation
similaire àl’éq. (16).
Les différents types d’éléments de matriceintrinsèque considérés,
sont liés par les relations :
les
amplitudes
de réduction étant maintenant de typemagnétique.
Lorsque
la transition s’effectue entre états d’une même banderotationnelle,
laprobabilité
de transitionse
simplifie
en :où gK
et 9R sont les rapportsgyromagnétiques
orbitalet collectif
respectivement [15] :
Pour le nucléon célibataire nous avons
adopté
gK =0,
gs = -
3,83
s’il est un neutron et gK =5,59,
gs =1,0
s’il est un proton.2.4 RÉSULTATS
NUMÉRIQUES.
DISCUSSION. - 2.4.1Convergence.
- Larapide
convergence des suites de fonctions SBCS est biencomprise théoriquement [3].
Le tableau 1 illustre le
comportement,. des
recouvre-ments des fonctions d’onde
projetées
dansl’espace
« nombre
d’occupation
», pour n variant de 0 à 7.Les deux
symétries possibles
par renversement du sensdu temps ont été
envisagées
pour des transitions de type neutron ou de type proton. On remarqueral’importance
de laprojection,
et larapidité
de laconvergence des suites
r(n)EfM
en fonction de n. Lesfigures
1 et 2 montrent l’évolution desamplitudes
deréduction en fonction du
paramètre
de déformation et duparamètre
de la force depairing
pour une transi- tion proton dansl’europium
et une transition neutron dans ledysprosium respectivement.
Les différences considérablesqui
existent sauf pour certaines déforma- tionsisolées,
entre rbcs et RSBCS montrent à l’évidence la nécessité de l’élimination des composantes nonphy- siques
dans les fonctions d’onde BCS. Ces différences sontparticulièrement importantes
pour lesintégrales
de recouvrement de type
magnétique, où,
contraire-ment à
rMBcs,
le facteurprojeté rsmbcs
peuts’éloigner
notablement de l’unité.
2.4.2 Transitions E2. - Nous avons calculé les
probabilités
de transitions deplusieurs
transitionsquadrupolaires électriques
dans des noyaux de masseimpaire
de larégion
des terres rares. Le tableau IIindique
les états entrelesquels
la transition alieu,
dans la notation
asymptotique
usuelleIK1t(Nnz A),
la valeur du
paramètre
de déformation b utilisée etl’énergie
de la transition(en keV).
En ne considérant que lapartie intrinsèque
del’opérateur quadrupolaire
E
2,
toutes les demi-viesthéoriques calculées
avec lesTABLEAU 1
Evolution des
intégrales
de recouvrement de typesélectrique
etmagnétique
en
fonction
dudegré
n d’extraction des composantes nonphysiques
desfonctions
BCSe
§
! w0
’N .
°°ù §fi
-,
m ._
o
v
n4àU #
,v w v
s
GQ S B
t o
cs X )
!i:!
m Q
o
jj
w%fl £
?va
z #
. x
,c ,ô
# , J3
N
cÀ
M
j
J
467
fonctions d’onde de Nilsson pures
(TN),
les fonctionsBCS
(TBcs) et
les fonctionsprojetées (TSBCS),
sont fortéloignées
des valeursexpérimentales Texp,
cequi souligne
le rôleimportant joué
par lapartie
collective.Lorsque
l’interaction de Coriolis estprise
en considé-ration
(colonne
suivante du tableauII),
les troismodèles donnent des demi-durées de vie
théoriques comparables
etproches
des valeursexpérimentales.
Lorsqu’on
tient compte enplus
des effets de vibra-tions p
et y, les résultats sont peuchangés
d’unemanière
générale.
L’amélioration de nos résultats par rapport à ceux de la référence[ 16]
est duepartiellement
à la nouvelle
paramétrisation
et à ladépendance
del’isospin
du modèle deNilsson,
etplus
fondamentale- ment à la conservation du nombre departicules, imposée
à nos fonctions d’ondeintrinsèques.
SiFaessler
[16]
a punégliger
l’influence du facteur de recouvrementM
sur les éléments de matrice de l’interaction deCoriolis,
du faitqu’il
esttoujours
voisinde
l’unité,
il n’en estplus
de même dans le formalisme SBCS où les facteursQàcs
sont loin d’avoir un éffetnégligeable (cf. Fig.
1 et2).
Sur les transitionsE2,
DK =0,
s’effectuant entre états d’une même banderotationnelle,
les effets dupairing,
de l’interaction de Coriolis et les effets vibrationnels sont évidemment nuls.Pour les transitions
E2,
AK =2,
l’interaction de Coriolis et les ef’ets desvibrations j8
et y sontnégli- geables,
leur contribution étant du second ordre seulement. Un calcul exact nous conduit à des résultats voisins de ceux de Lôbner etMalmskog [18],
pour les quatre transitions
E2,
AK = 2 des noyauxFIG. 1. - Comparaison entre les variations en fonction de la
déformation 1 et du paramètre de la force d’appariement, des
facteurs de réduction de types électrique et magnétique d’une transitions 1 AK = 1 dans l’europium.
FIG. 2. - Variations en fonction du paramètre de déformation 1
et du paramètre de la force d’appariement, des facteurs de réduc- tion, de types électrique et magnétique pour une transitions 1 AK =1 1
dans le dysprosium.
169,171,173Yb
et175Hf.
Dans l’ensemble le tableau II montre que lescomposantes
collectives sontplus importantes
que les divers types de corrélationsd’appariements.
2.4.3 Transitions M 1. - Les
probabilités
de tran-sitions
magnétiques dipolaires
d’une douzaine de noyaux de larégion
des terres rares, calculées avecet sans
couplage
deCoriolis,
ont été rassemblées dans le tableau III. Il semble que le bon accordgénéral
avec
l’expérience
soit dûd’avantage
au modèle deNilsson utilisé
qu’aux
corrélationsd’appariement
oumême au
couplage
de Coriolis. Il est manifeste cepen- dant que les effetsspurious
dus à la non-conservation stricte du nombre denucléons,
existent dans les transi- tions étudiées[ 19],
et il nous semble que dans un calculprécis
il faille en tenir compte. La méthode deprojec-
tion discrète que nous avons
proposée
nous sembleconvenir
parfaitement.
Les tableaux IV et V montrent les résultats d’une étude
comparative
des transitions E2 et MI entre les mêmes niveaux des deuxnoyaux 18’Os et 189OS
de lafin de la
région
des terres rares ; ces noyaux ont été étudiésexpérimentalement
parMalmskog
et collabo-rateurs
[20].
On remarquera sur ces tableaux lesimportances respectives
des effets collectifs etd’appa-
riement. Si dans certaines transitions telles que par
exemple 7/2 7/2 - (503) ->. 2 i - (512) (cf.
TableauIV),
la
projection
sur les états propres del’opérateur
nombre de
particules apparaît
essentielle etindispen-
n
S
i-
3v o àÎ
.N
ài=
.8 .9
V
H e
;:> -.;
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469
n
u
w
r4à
rlà
N
W
,
M
sable,
dans l’ensemblecependant
on peut dire que leserreurs dues à la fluctuation du nombre de nucléons dans la théorie BCS usuelle sont faibles en ce
qui
concerne les transitions E2 ou M 1.
Conclusion. - Nous avons étudié
l’importance
deseffets non
physiques
dus à la fluctuation du nombre de nucléons dans la théorieBCS,
sur lesprobabilités
de transitions E2 et Ml dans la
région
des terres rares.La méthode d’extraction des composantes non
phy- siques
de la fonction d’ondeBCS,
s’avèresimple, puissante
etparticulièrement propice
à la programma-tion. Il a été tenu compte des effets des
vibrations fi
et yquand
elles sontprésentes
et l’effet debloquage
a étésystématiquement
et exactementpris
en compte.Les facteurs de réduction BCS dif’èrent en
général
sensiblement des mêmes facteurs calculés avec les fonctions d’onde
projetées. Si,
àquelques exceptions près,
les demi-durées de vie calculées avec les fonc- tions SBCS ne diffèrent pas d’unefaçon appréciable
de celles obtenues par la théorie
BCS,
un calculprécis
des transitions E2 et Ml devra
cependant
tenir compte des erreurs induites par la non-conservation stricte du nombre de nucléons dans la théorie BCS.Bibliographie [1] RHO, M. and RASMUSSEN, J. O., Phys. Rev. 135 (1964) B 1295 ;
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